纳米改性钻井液及对铝合金钻杆减摩性能研究

发布时间：2017-09-05 06:32

  本文关键词：纳米改性钻井液及对铝合金钻杆减摩性能研究

  更多相关文章： 纳米材料 石墨烯 钻井液 润滑性能 销盘式摩擦磨损实验

【摘要】：在钻井和修井作业过程中,钻杆柱在井中起钻及下钻时,将不可避免的与套管内壁接触造成摩擦磨损,特别是在深井、超深井、水平井、丛式井或大斜度井钻进过程中,情况更为严重。铝合金钻杆虽然具有密度小、比强度高、耐腐蚀等优点,但其耐磨性较差。由于其弹性模量小,横向位移大,铝合金钻杆和井壁或套管的碰撞摩擦比钢钻杆更为频繁,并在近井壁附近高速涡动。在复杂的钻井条件下,铝合金钻杆比钢钻杆更容易发生摩擦磨损而失效。为解决此问题,一方面可设法提高铝合金自身的耐摩性能,但难度很大;另一方面,则可从降低铝合金钻杆与套管(或孔壁)间的摩擦系数着手考虑。钻井液的润滑性能是影响钻进产生的扭矩、钻柱的旋转阻力和提拉阻力以及钻具磨损的最主要的可调控因素,因此具有良好润滑性能的钻井液不仅能够减少钻头、钻杆等钻具的磨损,同时还能够有效地防止粘附卡钻,易于处理井内事故。纳米微粒具有小尺寸效应及表面效应,国内外已开始将其用于钻井液改性,且用量少、符合钻井液向低固相或无固相发展的趋势,还具有优异的润滑性和流变性,有利于钻井液性能的改善,发展潜力大。本研究通过在水基钻井液中添加纳米材料,来改善其润滑性能。选用3种纳米氧化颗粒(纳米Al2O3、TiO2及SiO2颗粒)、纳米金刚石颗粒、石墨烯、氧化石墨烯(GO)作为钻井液改性添加剂,利用极压润滑仪及销盘摩擦磨损实验仪研究了添加不同种类和添加量的纳米材料对水基钻井液的润滑性能及减摩效果的影响。结果表明,添加球形纳米SiO2颗粒的钻井液的润滑性能、滤失性能以及减摩效果都是最好的。当纳米SiO2颗粒加量为0.4%时,滤失量最小,润滑系数降低率达到15.6%,摩擦系数降低率为32.0%,磨盘材料(铝合金钻杆材料)磨痕轨迹平滑,减摩效果最为明显,会使磨损体积减少26.1%。其次是石墨烯/GO对钻井液各项性能改善效果明显,其中添加量为0.075%的GO改善水基钻井液的润滑性能最好,润滑系数降低率达到12.6%,添加量为0.075%GO摩擦系数降低率达到19.8%,添加0.075%GO的减摩效果突出,会使磨损体积下降21.7%,略低于添加0.4%纳米SiO2的减磨效果。钻井液添加纳米金刚石颗粒也会使摩擦系数降低,只不过没有纳米氧化物颗粒以及纳米石墨烯的影响大。纳米TiO2、纳米Al2O3颗粒对水基钻井液性能改善有限。当纳米氧化物颗粒添加量超过0.5%时,在磨盘表面可观察到铝合金的层状脱落,甚至形成浅坑。即加量过多反而会影响减摩效果。石墨烯/GO添加量超过0.075%时,磨盘磨损体积会增加。当纳米金刚石添加量超过0.2%时,会使磨损加剧。基于上述试验结果,将0.4%纳米SiO2、0.075%GO、0.2%纳米金刚石分别加入到松辽盆地大陆科学钻探SK-II钻井所用的钻井液中,以改善其润滑性能。结果表明,GO和纳米金刚石对现场钻井液均具有较好的润滑减摩改善效果,效果最优的是纳米SiO2材料。0.4%纳米SiO2改性现场钻井液各项性能最优,使现场钻井流体的润滑系数减少了20.3%,摩擦系数降低率提高了29.7%,而铝盘磨损量下降24.3%。
【关键词】：纳米材料 石墨烯 钻井液 润滑性能 销盘式摩擦磨损实验
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE254.1;TE921.2
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 选题目的和意义11-12
• 1.2 国内外的研究现状12
• 1.3 纳米材料概念及特性12-13
• 1.3.1 纳米材料的概念12
• 1.3.2 纳米材料的特性12-13
• 1.4 纳米材料的分散13-14
• 1.5 纳米材料应用14-15
• 1.5.1 纳米氧化物应用14
• 1.5.2 石墨烯/GO应用14
• 1.5.3 纳米金刚石应用14-15
• 1.6 铝合金钻杆的摩擦行为15-16
• 1.7 本文主要研究内容16-17
• 第2章 实验用纳米材料17-24
• 2.1 实验用纳米材料17
• 2.2 实验用纳米材料分散17-19
• 2.3 纳米材料粒径分析19-21
• 2.4 微观形貌分析21-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第3章 纳米材料对水基钻井液性能影响研究24-46
• 3.1 实验仪器及材料24-30
• 3.1.1 实验仪器24-28
• 3.1.2 实验材料28-30
• 3.2 实验方法30-31
• 3.3 纳米材料对钻井液基浆性能的影响31-45
• 3.3.1 降滤失性能分析31-32
• 3.3.2 基浆流变性32-35
• 3.3.3 对基浆润滑性能的改善35-38
• 3.3.4 对基浆减磨性能的影响38-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 添加纳米钻井液对铝合金钻杆材料磨盘磨损研究46-58
• 4.1 钻杆磨损机理简介46-47
• 4.2 铝合金钻杆磨损形貌分析47-52
• 4.3 铝合金钻杆材料磨盘磨痕数据分析52-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第5章 纳米材料对 松科二井‖现场钻井液的改性研究58-71
• 5.1 松科二井‖58-60
• 5.1.1 松科二井‖简介58
• 5.1.2 松科二井‖钻探任务58
• 5.1.3 松科二井‖现场钻进采用常规取心钻井方法58-60
• 5.2 现场钻井液类型与体系要求60
• 5.3 现场钻井液完井液设计60-62
• 5.4 泥浆成分与性能参数62-63
• 5.5 现场铝合金钻杆摩擦磨损情况63-66
• 5.6 现场钻井液各项性能测试66-67
• 5.7 纳米材料对现场钻井液各项性能改善67-70
• 5.7.1 纳米材料改善现场钻井液润滑性能67-68
• 5.7.2 纳米材料改善现场钻井液减磨性能68-69
• 5.7.3 纳米材料改善现场钻井液对钻杆的磨损69-70
• 5.8 本章小结70-71
• 第6章 结论71-73
• 参考文献73-79
• 作者简介及科研成果79-80
• 致谢80

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 邓仕奎;现场钻井液技术难度预测方法[J];钻采工艺;2003年03期

2 石艺;;高密度无黏土钻井液应用成功[J];石油钻采工艺;2007年02期

3 马生居;;国外钻井液技术研究综述[J];中国新技术新产品;2011年05期

4 刘永福;;浅析钻井液技术的发展趋势[J];中国科技投资;2012年26期

5 孟博;;无固相钻井液技术概述[J];中国石油和化工标准与质量;2013年05期

6 张波;;钻井液技术现状及发展方向[J];中国石油和化工标准与质量;2013年24期

7 廖娟;;环保钻井液技术现状及发展趋势[J];中国石油和化工标准与质量;2014年04期

8 赵忠举,徐同台;国外钻井液新技术[J];钻井液与完井液;2000年02期

9 刘德胜,贾东民,汪桂娟;加强华北油田钻井液管理提高经济效益[J];钻井液与完井液;2000年02期

10 彭刚,石崇平;聚合物(聚磺)钻井液在塔河油田的应用[J];西部探矿工程;2002年S1期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 丁海峰;董明键;刘爱军;任中启;;河坝1井钻井液技术[A];山东石油学会钻井专业委员会论文集[C];2005年

2 赖晓晴;杨恒林;乔磊;杨洪;;钻井液对煤层气储层损害室内评价技术研究[A];2013年煤层气学术研讨会论文集[C];2013年

3 张振华;;国内外钻井液技术现状和发展趋势[A];全面建设小康社会：中国科技工作者的历史责任——中国科协2003年学术年会论文集（上）[C];2003年

4 程金霞;郑秀华;夏柏如;;基于范例推理的钻井液优化设计系统的研究[A];第十三届全国探矿工程（岩土钻掘工程）学术研讨会论文专辑[C];2005年

5 郑秀华;李国庆;王军;;深部找矿关键钻井液技术:可循环微泡沫及其应用[A];全国成矿理论与深部找矿新方法及勘查开发关键技术交流研讨会论文集[C];2010年

6 黄尚德;叶诗均;彭本甲;王小毛;;松滋油田保护油层钻井液技术探讨[A];江汉油田难采储量开发技术研讨会论文集（一）[C];2007年

7 刘彬;宋百强;王瑞城;杨勇;;SN-015煤层气U型水平井钻井液技术[A];2013年煤层气学术研讨会论文集[C];2013年

8 刘文堂;孙善刚;史沛谦;李彬;;吉2-平1井三开特殊完井工艺水包油钻井液技术应用[A];经济策论（上）[C];2011年

9 刘爱军;丁海峰;宋彦波;吴春国;崔顺利;;胜坨油田ST6井钻井液技术初探[A];黑鲁石油学会钻井新技术研讨会论文集[C];2008年

10 ;安东泥浆公司[A];环保钻井液技术及废弃钻井液处理技术研讨会论文集[C];2014年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 刘君启　仲凌云 本报记者 李华;长城钻探专业化打造“泥浆”旗舰[N];中国企业报;2009年

2 记者 薛梅;集团公司首次专题研讨钻井液[N];中国石油报;2011年

3 海伦;仁智油服：实现快速发展 谋划两翼齐飞[N];中国经济时报;2011年

4 记者 宗钢　通讯员 石秉忠;工程院攻克一系列钻井液技术难关[N];中国石化报;2011年

5 通讯员　毛海涛 龙燕 赵晓东;吐哈钻井公司建起钻井液数据库[N];中国石油报;2006年

6 特约记者 董旭霞　通讯员 张鑫;长城钻探钻井液技术在苏丹获认可[N];中国石油报;2010年

7 本报记者 薛梅;钻井液,呼唤发展的春天[N];中国石油报;2011年

8 记者 薛梅;两项新产品打破国外技术垄断[N];中国石油报;2011年

9 薛玉志　金军斌 李涛 宗钢;工程院钻井液技术服务雅达项目[N];中国石化报;2011年

10 孙沛沛;仁智油服：科技为先 敢于创新[N];国际商报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 王在明;超临界二氧化碳钻井液特性研究[D];中国石油大学;2008年

2 李松;海相碳酸盐岩层系钻井液漏失诊断基础研究[D];西南石油大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 宋立甲;吉林油田临参1井防漏堵漏技术研究[D];东北石油大学;2015年

2 孙崇山;辽河油区深探井钻井液技术研究[D];东北石油大学;2015年

3 刘静;环境型钻井液研究[D];东北石油大学;2015年

4 王海平;钻井液不沉积搅拌实验及数值模拟分析[D];东北大学;2014年

5 陈朝然;纳米改性钻井液及对铝合金钻杆减摩性能研究[D];吉林大学;2016年

6 宋志东;超临界二氧化碳新型钻井液特性的数值模拟研究[D];中国石油大学;2008年

7 杨勇;硅酸盐钻井液在辽河油田水平井的应用研究[D];东北石油大学;2010年

8 程金霞;钻井液优化设计软件的研制[D];中国地质大学（北京）;2005年

9 贺雷;新型膜屏蔽钻井液研究[D];中国石油大学;2011年

10 杜钦波;基于知识工程的钻井液优化系统的研究[D];西南石油学院;2004年

，

本文编号：796403